Doctor of Public Health 전상훈입니다
Q. 마리 퀴리가 노벨상 역사에서 가진 최초의 기록은 무엇이 있나요?
안녕하세요. 마리 퀴리(Maria Sklodowska)는 노벨상 역사에서 다수의 최초 기록을 남긴 인물로, 과학계뿐만 아니라 학문적 성과의 측면에서도 독보적인 위상을 가지고 있습니다. 마리 퀴리는 1903년 노벨 물리학상을 공동 수상하며 노벨상을 받은 최초의 여성이 되었습니다. 이때 그녀의 남편인 피에르 퀴리(Pierre Curie)와 방사능의 존재를 최초로 밝혀낸 앙리 베크렐(Henri Beccuerel)과 함께 상을 수상하였습니다. 당시 과학계에서 여성의 연구 참여가 극히 제한적이었던 점을 고려하면, 이는 단순한 개인적 업적을 넘어 학문적 성취에서의 성평등을 상징하는 중요한 사건이었습니다. 이후 1911년에는 노벨 화학상을 단독으로 수상하며, 두 개의 노벨상을 수상한 최초의 인물이 되었습니다. 이 상은 라듐(Radium ; Ra)와 폴로늄(Po, Polonium)을 발견하고, 이들의 물리·화학적 성질을 규명하는데 기여한 공로를 인정받은 결과였습니다. 현재까지 과학 분야에서 두 개의 다른 부문(물리학·화학)에서 노벨상을 받은 사례는 마리 퀴리가 유일합니다.
Q. 비열이 높을수록 어떤 의미를 갖나요?
안녕하세요. 비열(比熱 ; Specific Heat Capacity)은 물질 1 kg의 온도를 1 K(또는 1 °C) 올리는데 필요한 열량(에너지)의 양을 의미합니다. 비열이 높을수록 동일한 질량과 온도 변화에서 더 많은 열을 흡수해야 하며, 반대로 비열이 낮으면 적은 열량으로도 온도가 쉽게 변화합니다. 이는 물질의 열적 특성과 직접적으로 관련되며, 기후 조절, 에너지 저장, 냉각 시스템 등 다양한 분야에서 중요한 역할을 합니다. 철(Fe)과 물(H₂O)의 비열을 비교하면, 철의 비열은 약 450 J/kg·K, 물의 비열은 4180 J/kg·K로, 물이 철보다 약 9.3배 높은 값을 가집니다. 이는 같은 질량에서 동일한 온도 변화를 일으키려면 물이 철보다 9.3배 많은 열량을 필요로 한다는 뜻입니다. 예컨데, 1 kg의 철과 1 kg의 물을 같은 열원에서 가열하여 1 °C 온도를 올리려면, 철은 450 J의 열량이 필요하지만, 물은 4180 J가 필요합니다. 비열이 높은 물질은 열을 흡수하고 방출하는 속도가 상대적으로 느려, 외부 온도 변화에 대한 완충 역할을 합니다. 이러한 특성 때문에 물은 기후 조절에서 중요한 역할을 하며, 해양이 육지보다 온도 변동이 적은 이유도 높은 비열 때문입니다. 또한, 물은 높은 열 저장 능력으로 인해 보일러의 냉각수, 산업용 냉각제, 난방 시스템에서 널리 활용됩니다. 반면, 비열이 낮은 금속(ex : 철, 구리, 알루미늄 등)은 열을 신속하게 전달하는 성질이 있어 열교환기, 방열판, 조리기구 등의 용도로 사용됩니다. 예컨데, 구리(Cu)는 비열이 낮고 열전도율이 높아 냄비의 바닥이나 방열판 소재로 적합합니다. 비열이 높은 물질은 열을 저장하고 온도 변화를 완화하는데 유리하며, 기후 조절과 에너지 저장에 중요한 역할을 합니다. 반대로, 비열이 낮은 물질은 신속한 열 전달이 필요할 때 유용하게 활용됩니다. 이러한 특성은 물질의 용도와 환경적 영향을 결정하는 핵심적인 요인으로 작용합니다. 이와 관련된 심도 있는 내용을 접하고 싶으시다면 Young, H. D., Freedman, R. A. (2011). University Physics with Modern Physics. Pearson.과 같은 문헌을 추천드립니다.
Q. 동충하초는 곤충에 기생해서 생겨나는게 맞나요?
안녕하세요. 동충하초(冬蟲夏草, Cordyceps)는 자낭균문(AScomycota) 곰팡이에 속하는 기생성 균류로, 곤충이나 기타 절지동물에 감염하여 숙주의 체내에서 증식한 후, 조직을 분해하며 성장하는 독특한 생명 주기를 가지고 있습니다. 즉, 동충하초는 단순한 식물이 아니라 곤충을 숙주로 삼아 영양을 흡수하는 곰팡이류(Entomopathogenic Fungi) 입니다. 동충하초는 특정한 곤충에 기생하여 성장하며, 감염 과정은 포자 감염 → 균사의 침투 → 숙주 조직 분해 → 자실체 형성 → 포자 방출의 단계를 거칩니다. 먼저, 동충하초의 포자는 공기 중으로 방출되며, 특정 곤충의 외골격(Exoskeleton)에 부착하게 됩니다. 이후 포자는 숙주는 키틴질(Chitinous) 외골격을 분해하고 체내로 침입하여 균사(Hyphae)를 형성하며 증식합니다. 이 과정에서 곤충의 조직이 점차 분해되면서 동충하초는 영양분을 흡수하고, 숙주의 행동을 조작하는 독소를 방출하기도 합니다. 일부 동충하초 계열 곰팡이는 숙주가 높은 곳으로 이동하도록 유도하여 포자 확산을 극대화하는 방식으로 생존 전략을 최적화합니다. 궁극적으로 숙주의 체내 조직이 대부분 소실되면, 곰팡이의 균사가 숙주의 몸에서 자실체(Fruiting Body) 형태로 돌출되며, 다시 새로운 포자를 방출하게 됩니다. 이로써 새로운 숙주를 감염시키는 주기가 반복됩니다. 이에 관련한 심도 있는 내용을 접하고 싶다면 Shrestha, B., & Zhang, W. (2015). "The medicinal fungus Cordyceps militaris: Research and development." Mycology, 6(2), 73-85 와 같은 문헌을 추천드립니다.
Q. 불가사리는 잘라도 다시 재생하는 이유가 뭔가요?
안녕하세요. 불가사리는 극피동물(Echinoderm)로 분류되며, 독특한 재생 생물학적 메커니즘을 보유한 대표적인 해양 무척추동물입니다. 일부 종에서는 중앙 원반(Central Disc)이 보존된 상태에서만 재생이 가능하지만, 특정 종에서는 단일 팔(Arm)만으로도 완전한 개체로 성장할 수 있습니다. 이러한 뛰어난 재생 능력은 다양한 생물학적 기전이 복합적으로 작용한 결과입니다. 불가사리의 재생 과정은 탈분화(Dedifferentiation), 세포 증식(Proliferation), 조직 재형성(Tissue Remodeling)이라는 단계적 기전을 통해 이루어집니다. 먼저, 신체 일부가 손상되면 해당 부위의 세포들은 탈분화 과정을 거쳐 줄기세포와 유사한 상태로 변환되며, 이는 새로운 조직 형성을 위한 세포 기반을 제공합니다. 이후, 손실된 조직의 복구를위해 신경세포(Neuroblasts), 근육세포(Myocytes), 상피세포(Epithelial Cells) 등의 분열과 증식이 활발하게 진행됩니다. 이 과정에서 성장 인자(Growth Factor)와 특정 신호전달로 경로(Wnt / β-catenin signaling)가 활성화되어, 세포 증식을 조절하고 손실된 조직의 구조적 복원이 이루어집니다. 특히, 불가사리는 해면체 조직(Spongy Tissue)과 유관속(Vascular Bundle)을 통해 신체 각 부분이 독립적인 생리 기능을 수행할 수 있도록 진화하였으며, 이는 재생 능력의 핵심적인 요소로 작용합니다. 손상된 조직이 복구될 때, 잔존 조직에서 생리적 신호가 전달되면서 줄기세포가 활성화되고, 상피층과 내장 기관이 단계적으로 재생됩니다. 또한, 불가사리는 체내 면역 반응을 조절하는 혈구세포(Coelomocytes)를 보유하고 있어, 손상 부위에서 감염을 방지하고 조직 재생을 촉진하는 역할을 합니다.
Q. 노래의 진동수와 진폭을 측정할 때 알아야 할 것과 측정하는 방법은 무엇인가요?
안녕하세요. 실험을 계획 중이신 것 같아서, 가급적 물리학적인 내용을 기반으로 설명드리겠습니다. 노래는 단일 주파수로 구성된 순수한 사인파(Sine Wave)가 아니라, 여러 개의 기본 주파수(Fundamental Frequency)와 배음(Harmonics), 잡음 성분(Noise)이 혼합된 복합파(Complex Wave)입니다. 진동수와 진폭은 각각 음의 높낮이(Pitch)와 크기(Loudness)를 결정하는 요소이며, 물리적으로 진동수(Frequency, f, Hz)란 단위 시간(1초) 동안 음파가 반복되는 횟수를 나타내며, 단위는 헤르츠(Hz)입니다. 일반적으로 사람의 가청 주파수 범위는 20Hz ~ 20kHz이며, 노래에서 가장 중요한 음고(Pitch)는 기본 주파수(F₀ ; Fundamental Frequency)로 정의됩니다. 진폭(Amplitude, A, dB)은 물리적으로 설명하자면, 소리의 크기를 결정하는 요소입니다. 음파의 최대 진폭(Peak Amplitude) 혹은 평균 진폭(RMS Amplitude)으로 나타낼 수 있습니다. 진폭의 크기는 로그 스케일을 적용하여 데시벨(dB) 단위로 변환되며, 이는 사람의 청각 특성과 밀접한 관련이 있습니다. 노래의 주파수와 진폭을 측정하기 위해서는 신호 분석 기법(Signal Processing)이 필요하며, 대표적인 방법으로 푸리에 변환(Fourier Transform ; FT)과 스펙트럼 분석(Spectral Analysis)이 활용됩니다. 푸리에 변환은 복잡한 음향 신호를 기본 주파수 성분(Fundamental Frequency)과 배음(Harmonic Overtones)으로 변환하는 알고리즘입니다. 이를 통해, 특정 시간대에서 음원의 주파수 분포를 확인할 수 있으며, 일반적으로 고속 푸리에 변환(Fast Fourier Trasnform ; FFT)이 사용됩니다. 고속 푸리에 변환을 활용한 주파수 분석을 수식으로 나타낸다면 : X(f) = ∑ₙ₌₀ᴺ⁻¹ x(n)e⁻ʲ²πfn/N 여기서, X(f)는 특정 주파수 f에서의 주파수 성분, x(n)은 시간 영역에서의 샘플 값, N은 샘플링된 데이터의 개수입니다. FFT를 활용하면 특정 구간에서 가장 강한 주파수 성분을 찾을 수 있으며, 기본 주파수(F₀)와 배음 성분을 시각적으로 분석할 수 있습니다. 스펙트럼 분석은 시간에 따른 주파수 및 진폭 변화를 시각적으로 나타내는 기법으로, 일반적으로 단기 푸리에 변환(Short-Time Fourier Transform ; STFT)을 활용합니다. STFT는 일정한 시간 간격으로 신호를 나눈 후 FFT를 적용하는 방식으로, 노래의 주파수 변화를 시간 축에서 분석할 수 있습니다. 이를 수식으로 표현해보자면 : X(t,f) = ∑ₙ₌₋∞⁺∞ x(n)w(n−t)e⁻ʲ²πfn 여기서, w(n)은 윈도우 함수(Window Function)로, 특정 시간 구간에서의 신호를 강조하는 역할을 합니다. STFT를 활용하면 음의 높낮이 변화(Pitch Contour), 성조(Intonation), 음색 변화(Timbre Variation) 등의 분석이 가능하며, 이는 음악 분석 및 음성 인식에서도 중요한 역할을 합니다. 또, 진폭을 측정할 때는 평균 제곱근(Root Mean Square ; RMS) 값을 활용하여 데시벨 단위로 변환하는 방법이 일반적으로 사용됩니다. RMS 진폭 계산의 공식은 : Aᴿᴹˢ = √( (1/N) ∑ₙ₌₁ᴺ x(n)² ) 여기서, x(n)은 시간 영역에서의 신호 샘플이며, N은 샘플링된 개수입니다. 데시벨(dB) 변환 공식은 : Aᴰᴮ = 20 log₁₀ ( Aᴿᴹˢ / Aʳᵉᶠ ) 여기서, Aʳᵉᶠ는 기준 진폭 값(일반적으로 공기 중의 최소 가청 강도, 20 × 10⁻⁶ Pa)입니다. 이를 활용하면 노래의 전체적인 음량 변화(Dynamic Range), 특정 악기 혹은 보컬의 볼륨 특성을 정밀하게 분석할 수 있습니다. 위와 관련된 내용을 심도 있게 확인해 보고 싶으시다면 Discrete-Time Signal Processing. Pearson. Oppenheim, A. V., & Schafer, R. W. 혹은 An Introduction to the Psychology of Hearing. Brill. Moor, B. C. J. (2012).와 같은 문헌을 추천드립니다.